5.3. Влияние структуры на износостойкость

Одним из важнейших факторов, определяющих сопротивление металлических сплавов изнашиванию, является их структурное состояние, а также свойства, взаимное расположение, количествен­ное соотношение и характер связи отдельных составляющих структуры.

Главными структурными составляющими белых износостойких чугунов являются карбиды и металлическая основа.

Высокой изностойкостью обладают отливки из белых чугунов со структурой мартенсита, нестабильного при рабочих нагрузках аустенита и карбидами типа МС, М₇С₃.

Сопротивление изнашиванию отливок из легированных сплавов обычно характеризуется двумя главными параметрами: способностью ме­таллической матрицы и карбидной фазы претерпевать превраще­ния в поверхностных слоях, приспосабливаться к условиям трения и иметь минимальный износ.

В высоколегированных сплавах с большим количеством карбид­ной фазы матрица занимает по объему до 90 %. Если исходить из теории износа, предложенной П. Н. Львовым, то необходимо стре­миться к большему насыщению сплава твердыми карбидными час­тицами, так как в этом случае зернам абразива будет труднее вы­давливать в сплаве канавки. Но в то же время это соотношение должно обеспечивать хорошую связь между фазами и способность матрицы удерживать карбиды в процессе изнашивания.

Современные белые износостойкие чугуны представляют собой многокомпонентные системы с целым набором структурных составляющих. При этом, если износостойкость стальных изделий перлитного или мартенсито-аустенитного классов определяется структурой и уровнем твердости металлической матрицы, то износостойкость отливок белого чугуна в первую очередь оказы­вается связанной с наличием, количеством и типом (природой) избыточных карбидных фаз.

5.3.1. Влияние карбидной фазы

Тип и морфология. В чугунах, содержащих до 7 % Сr, образу­ется легированный хромом цементит (Fe,Cr)₃C. Хотя по мере увеличения содержания хрома в чугуне до 7 % микротвердость карби­дов возрастает с HV 800 до HV 1100, износостойкость чугуна с карбидами цементитного типа при испытании по методу Штауффера в условиях гидроабразивного изнашивания мини­мальна.

Карбиды цементитного типа в чугуне с содержанием до 7 % Сr образуют жесткий каркас ледебуритной эвтектики. Для та­кого жесткого каркаса карбидов условия хрупкого разрушения при превышении предельных величин по скорости нагружения или энергии удара абразивной частицы достигаются раньше, чем для эвтектики с разветвленными диспергированными кар­бидами (Fe,Cr)₇С₃. При повышении содержания хрома свыше 8 % в чугуне с 3 % С количество карбидов цементитного типа уменьшается за счет образования карбидов хрома с более вы­сокой микротвердостью и износостойкость чугуна увеличива­ется. Максимальную износостойкость имеют чугуны с карби­дами (Fe,Cr)₇С₃ (содержание хрома в чугуне свыше 11 - 13 %) благодаря повышенной микротвердости этих карбидов и раз­ветвленному строению в эвтектике.

Увеличение количества карбидов повышает износостойкость белых чугунов, если тип карбидов при этом не меняется. Так, в чугуне, содержащем 13 % Сr и 3,2 - 3,4 % С, коли­чество карбидов М₇С₃ составляет ~30 %. Дальнейшее увеличе­ние содержания углерода и количества карбидов не приводит к росту износостойкости, так как в структуре появля­ются карбиды M₃C; кроме того, в чугунах заэвтектических со­ставов часть карбидов М₇С₃ кристаллизуется в виде вытянутых хрупких шестигранных призм.

Количество карбидов в структуре чугуна тем больше, чем выше содержание углерода. Тип образующихся карбидов опре­деляется соотношением содержаний хрома и углерода в чу­гуне. Соответственно износостойкость чугуна определяется со­держанием хрома и его соотношением с содержанием углерода. При этом максимальную износостойкость имеют чугуны, содержание углерода в которых соответствует эвтектиче­скому, а соотношение хрома и углерода обеспечивает образо­вание карбидов типа (Fe,Cr)₇С₃ и отсутствие карбидов типа (Fе,Сr)₃С.

Увеличение размеров карбидных включений снижает изно­состойкость чугуна. Степень влияния размеров кар­бидов зависит от условий изнашивания и характеристики абра­зива, что связано с влиянием этих факторов на формирование напряжений в карбидах и на распределение напряжений между карбидом и металлической основой. Крупные карбидные вклю­чения (особенно в мягкой матрице) растрескиваются и выкрашиваются под действием напряжений, создаваемых абразивной частицей, и деформаций основы. Мелкие - передают часть на­пряжений на металлическую основу и не разрушаются. В отно­сительно «мягких» условиях в чугуне допустимы более крупные карбиды, в более «жестких» по скорости, твердости, остроугольности, массе абразива допустимый размер карбидов уменьшается.

В условиях микрорезания критический размер карбидов составляет 7 - 8 мкм. При увеличении этого размера износостойкость уменьшается скачком.

Ориентировка карбидов по отношению к изнашиваемой поверхности оказывает влияние на износостойкость, так как кар­бид хрома обладает выраженной анизотропией. Микротвердость карбида Cr₇C₃ вдоль тригональной оси составляет H₅₀ 21000 МПа, а в перпендикулярном направлении - H₅₀ 15000 МПа. В чугуне, содержащем 2,5 % С и 12 % Сr, микротвердость карбида (Fe,Cr)₇С₃ по этим направлениям составляет соответственно , HV 1600 - 1700 и H₅₀ 12000 – 13000 МПа. По этой причине, а также благодаря более прочному закреплению карбидов в основе, по­верхность трения чугуна с карбидами (Fe,Cr)₇С₃, ориентиро­ванными большой осью перпендикулярно поверхности трения, лучше сопротивляется износу.

Влияние размеров и ориентации карбидов в структуре чу­гуна особенно существенно в условиях ударно-абразивного изнашивания. В этих условиях большее значение имеет прочность связи карбидов с матрицей и их способность равномерно распределять энергию удара абразивной частицы.